Kaynaklı Bağlantıların Arayüzey Mikroyapı Değerlendirmesi

Ti-6Al-4V alaşımı ile 304L paslanmaz çelik çifti Cu aratabaka kullanılarak argon atmosferi altında sabit basınç (1 MPa), 830 o_{C sıcaklık ve 50, 70 ve 90 dakikalık sürelerde} yapılmış difüzyon kaynaklı A1, A2 ve A3 no’lu numunelerin optik mikroskop, SEM fotoğrafları ve A1 no’lu numunenin reaksiyon bölgesinden alınan EDS analiz sonuçları Şekil 6.1, 2, 3 ve 4’te sırasıyla verilmiştir. A1 no’lu kaynaklı bağlantının birleşme bölgesinden alınan optik ve SEM mikroyapı fotoğraflarından, birleşme bölgesinde meydana gelen yapısal değişim sonucu yedi farklı bölge bulunmaktadır. Bu bölgelerden alınan X-ray (Şekil 6.5) ve EDS analizlerinden; I. bölge, α-Ti, Ti3Al ve katı eriyik bünyesinde çözünmüş vanadyum’dan oluşmaktadır, II. bölgede, titanyum, ara bölgeden yayınıp buraya ulaşan az oranda bakırla, CuTi, CuTi2, CuTi3 ve Ti3Al intermetalik bileşiği, III. bölgede, ara tabaka yönüne yayınan titanyum bölgede oldukça yüksek oranlarda bulunan bakırla ve yine önemsiz miktarlarda bakır ve demirle birleşerek Cu4Ti3, CuTi2, CuTi, Cu3Ti2 ve Ti33Cu67-xFex bileşikleri, IV. bakırca zengin yayınıp bölgeye ulaşan titanyum ve demirle bölgede CuTi, Cu3Ti2, Cu4Ti3 ve FeTi bileşiklerini oluşturmaktadır. V. bölge, bakır ana kütle içerisinde Cu3Ti2, FeTi, paslanmaz çelik tarafına doğru CuTi2, CuTi, az miktarda FeTi bulunmaktadır. VI. bölgede Cu/304L paslanmaz çelik arayüzeyinde sıcaklık ve elementlerin karşılıklı difüzyonu sonucu γCu, γCu+αFe, σ, αFe+ σ

(Fe-Cu-Ti üçlü faz diyağramından) faz karışımlarından oluşan beyaz renkli yaklaşık 5 µm kalınlığında bir yapı, VII. bölge ise 304L paslanmaz çeliğin ana yapısı olarak belirlenmiştir. Ana yapı ostenitik krom nikelli taneler ve bu tanelerin üzerinde ve tane sınırlarında toplanan az oranlarda metal karbür bileşiklerinden oluşmaktadır (Koç ve diğ., 2006). Kundu ve arkadaşları

(2005), Orhan ve arkadaşları (2001), Yılmaz ve arkadaşları (2003)’n yapmış oldukları çalışmalarda benzer sonuçlar elde etmiş olmaları bu sonuçları doğrulamaktadır.

Bekletme süresi 20 dakika artırılarak difüzyon kaynağı ile birleştirilen A2 kaynaklı bağlantı arayüzeyinden alınan optik mikroskop ve SEM fotoğrafı Şekil 6.3’te verilmiştir. SEM fotoğrafından da açıkça görüldüğü gibi birleşme bölgesinde meydana gelen yapısal değişim A1 no’lu numunedeki ile benzerlik göstermektedir. A1 ve A2 no’lu numunelere ait SEM fotoğrafları kıyaslandığında, en büyük değişim III ve IV no’lu bölgelerinin genişliğinde meydana gelmiştir. A1 no’lu numunede III. bölgenin genişliği 10 µm, IV bölgenin genişliği ise ~ 8 µm dur. A2 no’lu numunede bu bölgelerin ~10 ve 20 µm olarak değiştiği görülmektedir. Ayrıca, IV. bölge ile V. bölgeyi biri birinden ayıran hat boyunca artan bekletme süresine bağlı olarak, bu bölgelerde difüzyonla meydana gelen fazların sahip olduğu farklı genleşme özelliklerinden dolayı mikro çatlakların meydana geldiği dikkati çekmektedir.

Bekletme süresi 40 dakika artırılarak birleştirilen A3 no’lu numunenin birleşme arakesitinden alınan optik mikroskop ve SEM fotoğrafları Şekil 6.4’de verilmiştir. SEM fotoğrafından da açıkça görüldüğü gibi artan bekleme süresine bağlı olarak 304L paslanmaz çelik tarafında önemli bir değişiklik gözlenmezken, Ti-6Al-4V tarafında difüzyonla gerçekleşen II., III. ve IV. bölgelerde önemli değişiklikler meydana gelmiştir. Cu’nun Ti içerisinde yüksek çözünme özelliğinden dolayı IV. bölgenin genişliğinin yaklaşık beş kat arttığı görülmektedir. A3 no’lu numunede aratabaka malzemesi olarak kullanılan Cu’nun genişliğindeki önemli düşüş bu sonucu doğrulamaktadır. A1 ve A2 no’lu numunelerde bu bölgenin genişliği yaklaşık ~5 µm iken A3 no’lu numunede bu bölgenin genişleyerek 30 µm olduğu görülmektedir. A1 ve A2 no’lu numunelerde Ti-6Al-4V tarafında meydana gelen yapısal değişimin toplam genişliği yaklaşık 20 µm iken A3 no’lu numunede bu değişim 60 µm genişliğindedir.

A1, A2 ve A3 no’lu kaynaklı bağlantıların birleşme arayüzeyinden alınan optik mikroskop ve SEM fotoğrafları bir birleri ile kıyaslandığında; artan bekletme süresine bağlı olarak elementlerin karşılıklı difüzyon derecelerinde önemli artışların olduğu görülmektedir. Bu kaynaklı bağlantıların reaksiyon bölgeleri incelendiğinde, Cu/304L tarafında önemli bir değişiklik gözlenmemiştir. Bu durum, Cu’nun paslanmaz çelik içerisinde çözünme yeteneğinin düşük olduğunu göstermektedir. Buna karşın, artan bekleme süresine bağlı olarak Ti-6Al-4V tarafında önemli değişiklikler kaydedilmiştir. Bu değişim Cu ve Ti’nin bir biri içerisinde yüksek çözünebilme özelliğinden kaynaklanmaktadır.

Şekil 6.1. A1 nolu numunenin optik ve SEM fotoğrafı (T= 830 oC ve t= 50 dakika).

Ti-6Al-4V 304L Ostenitik P.Ç.

Şekil 6.3. A2 nolu numunenin optik ve SEM fotoğrafı (T= 830 oC ve t= 70 dakika).

Ti-6Al-4V 304L Ostenitik P.Ç.

Ti-6Al-4V 304L Ostenitik P.Ç.

Şekil 6.4. A3 nolu numunenin optik ve SEM fotoğrafı (T= 830 oC ve t= 90 dakika).

Ti-6Al-4V 304L Ostenitik P.Ç.

Ti-6Al-4V 304L Ostenitik P.Ç.

Şekil. 6.5. A3 nolu numunenin X-ray analizi (Ti-6Al-4V kırık yüzey tarafı).

Tablo 6.1. A3 nolu numunenin X-ray analiz sonuçlarına göre tespit edilen fazlar

Bileşiğin

numarası Bileşiğin Kristal Sistemi Z

* İsmi Kapalı formül

1 Bakır Titanyum CuTi2 Tetragonal 2

2 Bakır Titanyum CuTi3 Tetragonal 1

3 Bakır Titanyum Ti2Cu3 Tetragonal 2

4 Titanyum Bakır _Oksit Ti4Cu2O Kübik 16 5 Alüminyum Demir

Vanadyum Al80V12.5Fe7.5 Z* _{= Birim hücredeki molekül sayısını gösterir.}

850 oC’de 50, 70 ve 90 dakikalık bekletme sürelerinde yapılmış A4, A5, ve A6 kaynaklı bağlantıların birleşme arayüzeyinden alınan optik ve SEM fotoğrafları sırasıyla Şekil 6.6, 7 ve 8’de verilmiştir. Ayrıca 850 o_{C’de 90 dakika sürede yapılan A6 no’lu kaynaklı bağlantının her} iki tarafında birleşme yüzeyine dik doğrultuda yapılan EDS analiz sonuçları Şekil 6.9’de verilmiştir.

850 o_{C’de 50 dakika bekletilerek yapılan A4 kaynaklı bağlıntının birleşme bölgesinden} elde edilen optik ve SEM mikroyapı fotoğrafı Şekil 6.6’da verilmiştir. Şekilden açıkça görüldüğü gibi artan sıcaklığa bağlı olarak reaksiyon bölgesinin genişlediği görülmektedir. Reaksiyon bölgesindeki bu genişleme, aratabaka malzemesi olarak kullanılan Cu’nun kalınlığında difüzyona bağlı olarak düşüş görülmektedir.

A5 no’lu kaynaklı bağlantıya ait arayüzey optik ve SEM mikroyapı fotoğraflarından, malzeme çifti arayüzeyinde elementlerin karşılıklı difüzyonu sonucu meydana gelen yapısal değişim 830 oC’de yapılan kaynaklı bağlantılarla temelde benzer görünümündedir. Artan kaynak sıcaklığı ve süreye bağlı olarak Cu’nun Ti6Al4V alaşımı içerisinde yüksek yayınma özelliğinden dolayı IV. bölgenin genişlediği görülmektedir. Bu bölgeden alınan EDS analiz sonuçlarından, kahverenkli kısmın Cu bakımından zengin CuTi bileşiği, III. bölgeye doğru yönelmiş çıta halindeki yapının ise CuTi2, Cu3Ti2, Cu4Ti3 olduğu tespit edilmiştir. IV.

Ti-6Al-4V

bölgedeki bu genişleme ile birlikte V. bölgenin daraldığı görülmektedir. Reaksiyon bölgesinde meydana gelen bu yapısal değişim, kaynak sıcaklığının difüzyon üzerine olan etkisinin açıkça delilidir.

Bekletme süresi 40 dakika artırılarak 850 o_{C’de difüzyon kaynağı ile birleştirilmiş} olunan A6 kaynaklı bağlantının birleşme bölgesinden alına optik ve SEM fotoğrafları Şekil 6.8’de verilmiştir. Fotoğraflardan da açıkça görüldüğü gibi reaksiyon bölgesindeki en önemli değişim Ti6Al4V tarafındaki IV. bölgede meydana geldiği görülmektedir. A6 no’lu kaynaklı bağlantıya ait SEM fotoğrafı A5 no’lu kaynaklı bağlantıya ait SEM fotoğrafı ile kıyaslandığında, artan bekleme süresine bağlı olarak IV. bölgede önemli bir yapısal değişimin olduğu görülmektedir. A5 no’lu kaynaklı bağlantıda bu bölgenin genişliği yaklaşık 25 µm iken, A6 no’lu numunede bu bölgenin genişliğinin yaklaşık 60 µm olduğu görülmektedir. Bu değişim, artan bekletme süresine bağlı olarak Cu’nun Ti6Al4V alaşımı tarafına difüzyonunu artırdığı sonucunu ortaya koymaktadır. EDS analiz sonuçlarına göre ara yüzeyde görülen fazlar; I. bölgede, α-Ti ve Ti3Al fazları, II. bölgede, CuTi2, CuTi ve Ti3Al bileşikleri, III. bölgede, CuTi ve Ti3Al bileşikleri, IV. bölgede, Cu4Ti3, Cu3Ti2 ve Ti3Al bileşikleri, VII. bölgede, Fe-Cr-Ni alaşımının oluşturduğu ostenit yapı ve bu yapının tane sınırlarında toplanan metal karbürler bulunmaktadır.

IV. bölgeyi III. bölgeden ayırtan hattaki dalgalanma, uygulanan kaynak basıncın malzeme çifti merkezinde maksimum, kenarlara doğru ise azalma göstermesinin sonucu olarak meydana geldiği düşünülmektedir.

Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V

Şekil 6.6. A4 nolu numunenin optik ve SEM fotoğrafı (T= 850 oC ve t= 50 dakika).

304L Ostenitik P.Ç. Ti-6Al-4V

Şekil 6.7. A5 nolu numunenin optik ve SEM fotoğrafı (T= 850 oC ve t= 70 dakika).

Ti-6Al-4V

304L Ostenitik P.Ç. Ti-6Al-4V

Ti-6Al-4V 304L Ostenitik P.Ç.

Şekil 6.8. A6 nolu numunenin optik ve SEM fotoğrafı (T= 850 oC ve t= 90 dakika).

Ti-6Al-4V 304L Ostenitik P.Ç.

Ti-6Al-4V 304L Ostenitik P.Ç.

Şekil 6.10. A6 nolu numunenin X-ray analizi (304L ostenitik paslanmaz çelik kırık yüzey tarafı).

Tablo 6.2. A6 nolu numunenin X-ray analiz sonuçlarına göre tespit edilen fazlar

Bileşiğin

numarası Bileşiğin Kristal Sistemi Z

*

İsmi Kapalı formül

1 Tianyum Bakır _Oksit Ti4Cu2O Kübik 16

2 Bakır Titanyum Ti2Cu3 Tetragonal 2

3 Bakır Nikel _Titanyum Cu0.035Ni0.565Ti0.40 Tetragonal

4 Bakır Titanyum CuTi Tetragonal 2

5

Krom Demir Nikel 304-Paslanmaz

Çelik ostenit

Cr0.19Fe0.7Ni0.11 Kübik 4

6 Alüminyum Demir _Vanadyum Al80V12.5Fe7.5

Z* = Birim hücredeki molekül sayısını gösterir.

870 o_{C’de 50, 70 ve 90 dakikalık bekletme sürelerinde yapılmış A7, A8, ve A9 kaynaklı} bağlantıların birleşme arayüzeyinden alınan optik ve SEM fotoğrafları sırasıyla Şekil 6.11, 12 ve 13’te verilmiştir. Ayrıca 870 o_{C’de 90 dakika sürede yapılan A9 no’lu kaynaklı bağlantının} her iki tarafında birleşme yüzeyine dik doğrultuda yapılmış olunan EDS analiz sonuçları Şekil 6.14’de verilmiştir.

A7, A8 ve A9 no’lu kaynaklı bağlantılara ait arayüzey optik ve SEM mikroyapı fotoğraflarından, malzeme çifti arayüzeyinde elementlerin karşılıklı difüzyonu sonucu meydana gelen yapısal değişim 830 ve 850 o_{C’de yapılan kaynaklı bağlantılarla temelde benzer} görünümündedir. 304L paslanmaz çelik tarafında diğer sıcaklıklara göre önemli bir farklılık yoktur. Artan kaynak sıcaklığı ve bekletme süresine bağlı olarak Cu’nun Ti6Al4V alaşımı içerisinde yüksek yayınma özelliğinden dolayı II ve III no’lu bölgenin genişlediği görülmektedir. A9 no’lu numunenin EDS analiz sonuçlarına göre ara bölgede görülen fazlar; I. bölgede, Ti3Al ve α-Ti ana kütle içerisinde çözünmüş vanadyum, II. bölgede, α-Ti içerisinde CuTi2 ve bir miktar Ti3Al, III. bölgede, α-Ti içerisinde öncelikle CuTi2 bileşiği ve az oranda Ti3Al bileşiği, IV. bölge, Cu3Ti, Cu4Ti3, Cu3Ti2, γCu, ve az miktarda Ti3Al bileşiklerinden

oluşmaktadır. VII. bölge ise, Fe-Cr-Ni ostenitik faz yapsından oluşmaktadır.

Reaksiyon bölgesindeki bu değişim, artan kaynak sıcaklığı ve bekletme süresine bağlı olarak meydana gelen CuTi intermetalik bileşiklerin çeşit ve yoğunluğu belirlemektedir.

Şekil 6.11. A7 nolu numunenin optik ve SEM fotoğrafı (T= 870 oC ve t= 50 dakika).

304L Ostenitik P.Ç. _Ti-6Al-4V

Ti-6Al-4V 304L Ostenitik P.Ç.

Şekil 6.12. A8 nolu numunenin optik ve SEM fotoğrafı (T= 870 oC ve t= 70 dakika).

304L Ostenitik P.Ç. Ti-6Al-4V

Şekil 6.13. A9 nolu numunenin optik ve SEM fotoğrafı (T= 870 oC ve t= 90 dakika).

304L Ostenitik P.Ç. Ti-6Al-4V